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声光材料 讲解人 张吉夫制作人 成林海王建光孙宗涵 1 1922年布里渊在理论上预言了声光衍射 1932年卢卡斯和比夸特分别观察到了声光衍射现象 1966年到1976年期间 声光衍射理论 新声光材料及高性能声光器件的设计和制造工艺都得到迅速发展 声光材料的发展史 2 声光材料是具有声光效应的材料 当声波在介质中通过时 由于光弹效应 使介质的疏密随声波振幅的强弱而产生相应的周期性的疏密变化 它对光的作用如同条纹光栅 当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象 这种现象称之为声光效应 声光材料的定义 3 4 应变材料 F F 光源 非常光 常光 5 声光材料的原理 声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象 由于光弹效应 当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化 并随超声波一起传播 当激光通过此介质时 就会发生光的衍射 即声光衍射 衍射光的强度 频率 方向等都随着超声波场而变化 其中衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转 衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制 6 声光材料的分类 7 声光材料的分类 声光材料有液态和固态之分 在液态材料中 水被认为是较好的声光作用介质 早期 水作为偏转介质起了重要的作用 目前 由于一系列新的固体声光介质材料的出现 水作了实际使用的价值 其他液态材料则因对声波和热的作用易于产生扰动而不能保持稳定的光学性能和声衰减过大而使得液态材料应用较少 8 玻璃是最普通也是最常用的声光介质材料 与其他声光介质相比较 玻璃介质具有某些突出的优点 1 玻璃在工业生产上易于批量生产 可获得形状各异的大尺寸块体 经退火后 其光学均匀性良好 光损耗小 容易加工 价格低廉 2 声光玻璃材料 9 声光玻璃材料 优点 制造方便 体积大 光学均匀性好 成本低廉缺点 在可见光谱区 难以获得折射率大于2 1的透明玻璃 玻璃的光弹系数都小 10 声光晶体材料 单晶介质是最大的一类声光材料 许多晶体声光介质的声衰减系数都相当小 晶体材料很适宜用来制造频率高于100MHz的高效率声光器件 单晶介质材料的物理性质是各向异性的 这样 就可以通过选择声模和光模的最佳组合来获得从材料的平均性质所预想不到的有益的声光性能 晶体介质材料 与玻璃质材料相比较 其缺点是 晶体生长技术相当复杂 某些晶体还难于获得实用的大晶体 生产成本介高 因此新晶体的研究周期长 耗资大 11 其中常用的材料为 Te02 PbMo04等等 下面详细介绍 12 二氧化碲 Te02 声光晶体材料 二氧化碲单晶属四方晶系 具有变形金红石结构 单晶具有压电 声学和光学等多种性能 13 二氧化碲 Te02 的生产工艺 TeO2单晶用常规的提拉法在氧气氛中生长 典型的生长条件如下 生长方向 110 或 001 提拉速度 1 2mm h晶体转速 20一60r min温度梯度 80 100 cm氧气流量 600 750mL min冷却速度 50 80 h 14 二氧化碲 Te02 的生产工艺 生产过程中应注意以下几点1 TeO2在450 左右开始升华 在熔点附近蒸气压较高 挥发严重 2 由于TeO2熔点低 粘度大 晶体中易产生气泡和云层 适当调节拉速和转速可以避免这些缺陷 3 沿方向生长的晶体容易产生线状缺陷 若沿方向生长 并选择优质籽晶和降低温度波动 则可以减少这种缺陷的产生 15 钼酸铅 PbMoO4 声光单晶材料 钼酸铅 PbMoO4 单晶属四方晶系 具有白钨矿型结构 16 钼酸铅 PbMoO4 的生产工艺 PbMoO4单晶以高纯PbO和MoO3为原料 按化学计量配比 用常规的提拉法生长 典型生长条件如下 温度梯度 40 100 cm提拉速度 3 6mm h晶体转速 20 40r min生长气氛 大气 17 声光材料的性能及影响因素 一种优良的声光材料 须具备下列条件 1 在使用光波范围内有良好的光学质量和透明度 2 容易获得大的尺寸 化学稳定好 机械强度高 3 光学和声学衰减低 4 物理常数特别是声速的温度系数低 5 声光优值高 18 应用领域 早期声光效应仅用于物理性质的测量 随着激光和超声波技术的发展 声光材料在光电子学方面得到了广泛的应用 主要应用在以下几个方面 19 声光调制器 改变超声波的强度便可改变经声光材料衍射的衍射光束强度 从而实现对衍射光的强度调制 20 声光偏转器 改变声波的驱动频率便可改变衍射光束的方向 用这一原理可制成高速偏转光束的声光偏转器 21 声光滤波器 声光衍射原理在许多方面与透射型衍射光栅相似 而声光光栅常数可以用电控改变 完全有可能制成电子调谐分光计 22 声光器件在信息方面也有重要应用 如脉冲压缩 光学相关器和射频频谱分析等 23 展望及研发 在过去的多年的时间里 由于许多介质材料的声光性能不断提高和新声光介质的出现 促使声光